Содержание к диссертации
Список терминов, условных обозначений и сокращений 7
ВВЕДЕНИЕ 9
Глава 1. Обзор методов и работ по решению задачи оптимального управления
режимами работы ТЭЦ с ПГУ 14
Практическая значимость оптимизации режимов работы ТЭЦ с ПГУ... 14
Постановка задачи оптимизации работы ТЭЦ с ПГУ в общем виде 21
1.3. Математические методы решения оптимизационной задачи
распределения нагрузок на ТЭЦ с ПГУ 36
Виды характеристик энергооборудования ТЭЦ 36
Обзор методов статической оптимизации 39
1.3.3. Метод поиска оптимума путем решения системы нелинейных
уравнений 41
Метод множителей Лагранжа 42
Метод модифицированной функции Лагранжа 44
Метод динамического программирования 45
Методы направленного поиска 47
Метод случайного поиска 48
Оврагоперешаговый метод оптимизации 49
1.3.10. Генетические алгоритмы 50
Оценка эффективности использования методов оптимизации для решения задачи распределения нагрузок ТЭЦ с ПГУ 53
Анализ эффективности использования существующих алгоритмов по решению задачи оптимизации режимов работы ТЭЦ с ПГУ 55
1.4. Выводы по главе. Постановка цели диссертационной работы 56
Глава 2. Особенности влияния режимов работы ПГУ на вид расходных
характеристик, используемых в качестве исходных данных оптимизационной
задачи 58
Особенности регулирования электрической нагрузки энергоблоков ПГУ 58
Анализ режимов работы и расходных характеристик ПГУ на примере ПГУ-450Т Северо-Западной ТЭЦ Санкт-Петербурга 63
Режимы работы и характеристики ПГУ-450Т Северо-Западной ТЭЦ Санкт-Петербурга 63
Выражение расходной характеристики ПГУ для различных режимов работы 73
2.3. Построение расходных характеристик и областей режимов работы ПГУ
на примере ПГУ-450Т Калининградской ТЭЦ-2 75
2.3.1. Упрощенная методика построения расходной характеристики ПГУ по характеристикам газовых и паровой турбин на примере ПГУ-45ОТ... .75
2.4. Выводы по главе 84
Глава 3. Методические положения оптимизации распределения электрической
и тепловой нагрузок между оборудованием ТЭЦ с выбором состава
энергогенерирующего оборудования, а также режимов работы ПГУ 86
3.1. Методические положения по оптимизации режимов работы ТЭЦ с
ПГУ 86
Этапы решения задачи оптимизации режимов работы ТЭЦ с ПГУ в рамках НОРЭМ 86
Выбор критерия оптимизации при управлении режимами работы ТЭЦ с ПГУ 90
Методика выбора состава энергогенерирующего оборудования ТЭЦ 94
3.1.4. Использование расходных характеристик при составлении
минимизируемой функции 97
Применение генетического алгоритма оптимизации для решения поставленной задачи 99
Применение метода деформируемого многогранника в рамках разрабатываемой методики оптимизации 107
3.1.7. Алгоритм решения задачи оптимизации режимов работы ТЭЦ с
ПГУ 112
3.2. Методика учета влияния изменения режимных параметров работы ПГУ
при решении задачи распределения нагрузок 115
3.3. Выводы по главе 127
Глава 4. Оценка эффективности разработанной методики при использовании ее
для характеристик оборудования ТЭЦ с ПГУ 129
4.1. Сравнительный анализ эффективности использования различных
методов статической оптимизации для решения задачи распределения
нагрузок па примере двух блоков ПГУ-450Т 129
4.1.1. Расчет распределения нагрузок между двумя ПГУ методом
случайного поиска (стохастический метод Ноллау-Фюрста) 130
4.1.2. Расчет распределения нагрузок между двумя ПГУ методом Монте-
Карло 131
Расчет распределения нагрузок между двумя ПГУ методом динамического программирования 133
Расчет распределения нагрузок между двумя ПГУ методом деформируемого многогранника 135
Расчет распределения нагрузок между двумя ПГУ с помощью генетического алгоритма 135
4.1.6. Анализ результатов сравнения алгоритмов оптимизации 137
Анализ влияния температуры наружного воздуха на вид расходной характеристики ПГУ-450Т 140
Влияние погрешности получения расходной характеристики ПГУ на результаты решения задачи оптимизации распределения нагрузок на примере блоков ПГУ-450Т 149
4.4. Оценка эффективности разработанной методики оптимизации на
примере решения задачи оптимизации распределения нагрузок между
газовыми турбинами энергоблока ПГУ-450Т 153
4.5. Решение задачи оптимизации работы оборудования ТЭЦ с ПГУ на
примере оборудования ТЭЦ-27 ОАО "Мосэнерго" 161
4.5.1. Расходные характеристики оборудования рассматриваемой ТЭЦ.. 165
Результаты оптимизации распределения нагрузок на основе разработанной методики при наличии на ТЭЦ одного энергоблока ПГУ-450Т 168
Оптимизации распределения нагрузок на основе разработанной методики при наличии на ТЭЦ 2-х энергоблоков ПГУ-450Т 175
4.6. Выводы по главе 180
Глава 5. Возможности интеграции разработанной методики в АСУ ТП
современных ТЭЦ с ПГУ 182
Интеграция разработанной методики в АСУ ТП современных ТЭЦ с ПГУ 182
Использование разработанного алгоритма оптимизации в рамках АСУ ТЭЦ, построенных на базе современных ПТК 183
5.3. Описание программного продукта, основанного на разработанной
методике оптимизации, в рамках АСУ ТЭЦ на современных ПТК 189
Модуль построения расходных характеристик ПГУ 190
Модуль составления матрицы режимов работы агрегатов ТЭЦ 191
Модуль оптимизации распределения нагрузок 192
Модуль выбора оптимального решения 192
Алгоритм применения программы 193
5.4. Выводы по главе 197
Заключение 198
Список литературы 202
Приложение 1. Расчетные данные ОАО "Фирма ОРГРЭС" для энергоблока
ПГУ-450Т Калининградской ТЭЦ-2 209
Приложение 2. Расходные характеристики ПГУ-450Т Калининградской
ТЭЦ-2 214
Приложение 3. Расходные характеристики энергогенерирующего оборудования
ТЭЦ-27 ОАО "Мосэнерго" 217
Список терминов, условных обозначений и сокращений
АСУ — автоматизированная система управления.
АСУ П - автоматизированная система управления производством.
АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим
процессом.
АЭС - атомная электрическая станция.
БР - балансирующий рынок.
БРОУ - быстродействующая редукционно-охладительная установка.
ВД - высокое давление.
ВНА - входной направляющий аппарат.
ГА - генетический алгоритм.
ГРЭС - государственная районная электростанция.
ГТ - газовая турбина.
ГТП - группа точек поставки.
ГТУ - газотурбинная установка.
ГЭС - гидроэлектростанция.
КС - камера сгорания.
КУ — котел-утилизатор.
МДМ - метод деформируемого многогранника.
МФЛ - модифицированная функция Лагранжа.
НД - низкое давление.
НЛП — нелинейное программирование.
НОРЭМ - новый оптовый рынок электроэнергии и мощности.
НП "АТС", АТС - некоммерческое партнерство администратор торговой
системы.
ОГК - оптовая генерирующая компания.
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.
ОППП - определение планового почасового производства и потребления.
ОЦЗ - процедура подачи оперативных ценопринимающих заявок.
ПВК - пиковый водогрейный котел.
ПГУ - парогазовая установка.
ПНА - поворотный направляющий аппарат.
ППБР - предварительный план балансирующего рынка.
ПСВ - подогреватель сетевой вертикальный.
ПСГ - подогреватель сетевой горизонтальный.
ПТ - паровая турбина.
ПТК — программно-технический комплекс.
ПТУ - паротурбинная установка.
РГК - региональная генерирующая компания.
РД - регулируемые договора.
РСВ - рынок "на сутки вперед".
РУ - редукционная установка.
СДД - свободные двухсторонние договора.
СО - системный оператор.
ТГ - торговый график.
ТГК - территориальная генерирующая компания.
ТЭС — тепловая электрическая станция.
ТЭЦ - теплоэлектро-централь.
ЦНД - цилиндр низкого давления.
ЭВМ — электронная вычислительная машина.
ЭЭС - электроэнергетическая система.
Введение к работе
Переход народного хозяйства на рыночные отношения обусловил определенные структурные изменения в электроэнергетике. Так, уменьшение доли промышленных потребителей с 2-3-х сменными режимами работы и значительное увеличение доли коммунально-бытовых потребителей с резкопеременным режимом электропотребления, из-за отсутствия высокоманевренных агрегатов привело к вынужденной глубокой разгрузке или останову оборудования, рассчитанного на базовый режим работы при прохождении провалов графиков электропотребления. Статистика показывает, что даже мощные энергоблоки на сверхкритических параметрах 300, 500 и 800 МВт, при прохождении ночных провалов нагрузки ежесуточно разгружаются до 30 - 50 % от установленной мощности.
Также существует весьма важная проблема теплофикационных электростанций: в отопительный период прохождение ночных провалов по электропотреблению, как правило, совпадает с максимумом графика теплопотребления. Например, на электростанциях ОАО «Мосэнерго» тепловая нагрузка в зимний период ночью составляет 80 - 100 % от установленной тепловой мощности при 30 - 50 % установленной электрической мощности. В этих условиях проблема рационального внутрисистемного и внутристанционного оперативного управления режимами работы энергооборудования становится одной из главных задач АСУ на ТЭС [1,2].
Оптимизация режимов работы электростанций и оборудования традиционно одна из сложных научных и практических задач, обусловленная неопределенностью исходной информации, многовариантностью, трудностью учета реального технического состояния оборудования, а также другими факторами. Тем не менее, в настоящее время разработаны и используются в практике эксплуатации различные модели и программные комплексы на их основе для внутристанционной оптимизации режимов работы оборудования [2-5].
При этом, как правило, при решении данной задачи, как задачи статической оптимизации, используются нормативные энергетические характеристики отдельных энергоблоков в виде зависимости расхода тепла или топлива от электрической мощности, полученные при номинальных начальных и конечных параметрах. Вместе с тем известно, что реальные энергетические характеристики, особенно при работе оборудования на частичных нагрузках, а также устаревшего оборудования, могут значительно отличаться от нормативных, в основном в сторону ухудшения их отдельных показателей [3,
4]-
При решении оптимизационной задачи обязательным условием реализации
любых новых решений является сохранение надежности оборудования. Для
эксплуатационного персонала, в условиях значительного увеличения числа
остановочно-пусковых, переменных и переходных режимов при длительном
сроке эксплуатации основного парка оборудования, - это достаточно трудная и
сложная задача. Ужесточение экологических показателей электростанций
также предъявляет специфические требования к эксплуатации энергетического
оборудования - прежде всего городских ТЭЦ, сочетающих как традиционное
оборудование, так и внедряемые парогазовые установки.
Необходимо отметить, что используемые в настоящее время методики оптимизации распределения нагрузок разработаны для традиционного состава оборудования ТЭЦ (паротурбинные энергоблоки) и достаточно мало исследован вопрос учета особенностей режимов работы ПТУ при решении данной задачи. Вместе с тем, выбор того или иного режима работы ПТУ (например, с одной или двумя работающими газовыми турбинами, при различных температурах наружного воздуха) значительно влияет на экономические показатели работы блока (данный вопрос подробно рассмотрен во 2-ой главе). Блоки ПТУ также обладают большей маневренностью по сбросу и набору нагрузки, чем традиционно используемое оборудование.
Данные обстоятельства требуют соответствующих методик их учета при решении задачи оптимального управления ТЭЦ, в составе
энергогенерирующего оборудования которых присутствуют как традиционные паротурбинные блоки, так и ПТУ, в рамках АСУ.
Учитывая, что доля ТЭЦ в ряде энергосистем составляет значительную величину, а также возрастающие темпы внедрения парогазовых технологий на ТЭЦ, комплексное решение проблемы выбора работающего оборудования с учетом особенностей режимов работы энергоблоков ПТУ, оптимального распределения тепловой и электрической нагрузок является в настоящий момент одной из главных задач АСУ ТЭЦ.
Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является разработка методики выбора состава и режимов работы оборудования ТЭЦ с ПТУ и оптимизации распределения нагрузок между агрегатами станции с учетом особенностей режимов работы ПТУ.
Диссертационная работа состоит из пяти глав.
В первой главе показана актуальность исследуемой задачи. Приведена общая постановка задачи оптимизации режимов работы ТЭЦ с ПТУ, а также проведен детальный анализ методов статической оптимизации, используемых для решения поставленной задачи. Также приведен обобщающий обзор работ по исследуемой . задаче, основанных на рассмотренных в главе алгоритмах оптимизации. В главе также приведена постановка цели диссертационной работы.
Вторая глава посвящена описанию особенностей режимов работы ПТУ, а также влиянию режимов на расходные характеристики. Приведены диаграммы режимов работы ПГУ-450Т Северо-Западной ТЭЦ Санкт-Петербурга, рассмотрено влияние параметров ПТУ на диапазоны изменения электрической и тепловой нагрузок. Для ПТУ, в состав которой входят две газовые турбины, разработан упрощенный алгоритм построения расходной характеристики ПТУ по характеристикам газовых и паровой турбин с целью построения характеристик для промежуточных теплофикационных нагрузок. Проведены
расчеты по построению расходных характеристик ПГУ-450Т Калининградской ТЭЦ-2 с использованием данного алгоритма. Также получены выражения ограничений по тепловой и электрической нагрузкам в виде функциональных зависимостей.
В третьей главе приведены методические положения по выбору состава и режимов работы оборудования ТЭЦ с ПТУ путем составления матрицы режимов и состава агрегатов на этапе подготовки предварительного состава агрегатов ТЭЦ до подачи заявки на РСВ.
Изложена методика построения расходных характеристик ПТУ с учетом влияния режимных параметров ПТУ на вид ее расходных характеристик, путем ввода поправок на изменение наиболее значимых параметров.
Разработан алгоритм оптимизации распределения электрической и тепловой нагрузок ТЭЦ с совместным использованием генетического алгоритма и метода деформируемого многогранника как для этапов с предварительной оптимизацией, так и в оперативном плане в условиях НОРЭМ.
В четвертой главе рассмотрено практическое применение разработанной методики оптимизации. Проведено сравнение эффективности наиболее распространенных методов статической оптимизации на примере решения задачи распределения электрической и тепловой нагрузок между двумя блоками ПГУ-450Т.
С помощью разработанной методики учета влияния параметров ПГУ на вид расходной характеристики, были получены выражения поправок для учета влияния изменения температуры наружного воздуха на расход топлива ПГУ-450Т с целью учета текущего состояния блока на этапе оперативного управления ТЭЦ.
Также проанализировано влияние погрешности получения расходных характеристик ПГУ на результаты оптимизации распределения нагрузок на
примере задачи оптимизации распределения электрической и тепловой нагрузок между двумя ПТУ-45 ОТ.
Проведены расчеты по оптимизации распределения относительной электрической нагрузки между газовыми турбинами ПГУ-450Т на базе разработанной методики оптимизации распределения нагрузок.
Также проведены расчеты для этапа подготовки заявки ТЭЦ на РСВ по оптимизации распределения нагрузок между агрегатами ТЭЦ, в состав которой входят: 2 блока ПГУ-450Т, два паротурбинных блока ПТ-80, а также 5 ПВК с использованием данных ОАО "Фирма ОРГРЭС" для ТЭЦ-27 ОАО "Мосэнерго". Расчеты выполнены для различного сочетания работающих агрегатов, ,а также различных режимов работы энергогенерирующего оборудования.
В пятой главе рассмотрены возможности интеграции разработанной методики в АСУ существующих ТЭЦ с описанием особенностей включения в состав наиболее распространенных ПТК разработанного алгоритма оптимизации режимов работы ТЭЦ с ПТУ.
Материалы, основные разделы и положения диссертации докладывались и обсуждались на XII и XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в марте 2006 и 2007 года, на конференции "Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов" в 2006 году.
